Sirkuit Dioda Zener, Karakteristik, Perhitungan

Coba Instrumen Kami Untuk Menghilangkan Masalah





Dioda Zener - dinamai menurut penemunya Dr. Carl Zener pada dasarnya digunakan dalam sirkuit elektronik untuk menghasilkan referensi tegangan yang tepat. Ini adalah perangkat yang mampu menciptakan tegangan konstan praktis di atasnya terlepas dari variasi dalam situasi sirkuit dan tegangan.

Secara eksternal, Anda mungkin menemukan dioda zener sangat mirip dengan dioda standar seperti 1N4148. Dioda zener juga bekerja dengan memperbaiki AC menjadi DC yang berdenyut seperti alternatif tradisional mereka. Namun bertentangan dengan dioda penyearah standar, dioda zener dikonfigurasikan dengan katoda yang terhubung langsung dengan suplai positif, dan anoda dengan suplai negatif.



Karakteristik

Dalam konfigurasi standarnya, dioda Zener menunjukkan resistansi tinggi di bawah tegangan kritis tertentu (dikenal sebagai tegangan Zerier). Ketika tegangan kritis spesifik ini terlampaui, resistansi aktif dioda Zener turun ke level yang sangat rendah.

Dan pada nilai resistansi rendah ini, tegangan konstan efektif ditahan di seluruh Zeners, dan tegangan konstan ini dapat diharapkan untuk dipertahankan terlepas dari setiap perubahan arus sumber.



Dengan kata sederhana, setiap kali suplai melintasi dioda zener melebihi nilai pengenal zener, dioda zener bekerja dan mendasarkan tegangan berlebih. Karena ini tegangan turun di bawah tegangan zener yang mematikan zener, dan suplai sekali lagi mencoba untuk melebihi tegangan zener, menyalakan zener lagi. Siklus ini berulang dengan cepat yang pada akhirnya menghasilkan menstabilkan keluaran tepat pada nilai tegangan zener yang konstan.

Karakteristik ini secara grafis disorot pada gambar di bawah ini yang menunjukkan bahwa di atas 'tegangan Zener' tegangan balik terus hampir konstan bahkan dengan variasi arus balik. Akibatnya dioda Zener sering digunakan untuk mendapatkan penurunan tegangan konstan, atau tegangan referensi, dengan resistansi internalnya.

Dioda zener dirancang dalam banyak peringkat watt dan dengan peringkat tegangan yang berkisar dari 2,7 Volt hingga 200 Volt. (Namun kebanyakan, dioda Zener dengan nilai jauh di atas 30 Volt hampir tidak pernah digunakan.)

Rangkaian Dioda Zener Dasar Bekerja

Rangkaian pengatur tegangan standar, menggunakan resistor tunggal dan dioda Zener, dapat disaksikan pada gambar berikut. Di sini, anggaplah nilai dioda Zener adalah 4,7 V dan tegangan suplai V in adalah 8,0 V.

Kerja dasar dioda zener dapat dijelaskan dengan poin-poin berikut:

Dengan tidak adanya beban di output dari dioda zener, 4,7 Volt dapat dilihat jatuh melintasi dioda Zener sementara cut off 2,4 Volt dikembangkan melintasi resistor R.

Sekarang, jika tegangan input diubah, mari kita bayangkan, dari 8,0 menjadi 9,0 V, akan menyebabkan penurunan tegangan di Zener tetap mempertahankan nilai 4,7 V.

Namun penurunan tegangan pada resistor R dapat terlihat dinaikkan, dari 2,4 V menjadi 3,4 V.

Penurunan tegangan pada Zener yang ideal dapat diharapkan cukup konstan. Praktisnya, Anda mungkin menemukan tegangan melintasi zener sedikit meningkat karena resistansi dinamis Zener.

Prosedur untuk menghitung perubahan tegangan Zener adalah dengan mengalikan resistansi dinamis zener dengan perubahan arus Zener.

Resistor R1, dalam desain regulator dasar di atas, melambangkan beban pilihan yang dapat dihubungkan dengan zener. R1 dalam hubungan ini akan menarik sejumlah arus yang mengalir melalui Zener.

Karena arus dalam Rs akan lebih tinggi daripada arus yang memasuki beban, sejumlah arus akan terus mengalir melalui Zener yang memungkinkan tegangan konstan sempurna melintasi Zener dan beban.

Resistor seri R yang ditunjukkan harus ditentukan sedemikian rupa sehingga arus terendah yang memasuki Zener selalu lebih tinggi dari level minimum yang ditentukan untuk regulasi stabil dari zener. Level ini dimulai tepat di bawah 'lutut' kurva tegangan balik / arus balik seperti yang dipelajari dari diagram grafis sebelumnya di atas.

Anda juga harus memastikan bahwa pemilihan Rs memastikan bahwa arus yang melewati dioda Zener tidak pernah melampaui peringkat dayanya: yang mungkin setara dengan tegangan Zener x arus Zener. Ini adalah jumlah arus tertinggi yang dapat melewati dioda Zener tanpa adanya beban R1.

Cara Menghitung Dioda Zener

Mendesain rangkaian zener dasar sebenarnya sederhana dan dapat diimplementasikan melalui petunjuk berikut:

  1. Tentukan arus beban maksimum dan minimum (Li), misalnya 10 mA dan 0 mA.
  2. Tentukan tegangan suplai maksimum yang mungkin berkembang, misalnya level 12 V, juga pastikan bahwa tegangan suplai minimum selalu = 1,5 V + Vz (nilai voltase zener).
  3. Seperti yang ditunjukkan dalam desain regulator dasar, tegangan keluaran yang diperlukan setara dengan tegangan Zener Vz = 4,7 Volt, dan yang dipilih Arus Zener terendah adalah 100 mikroamps . Ini menyiratkan bahwa arus Zener maksimum yang dimaksudkan di sini adalah 100 microamps ditambah 10 milliamps, yaitu 10.1 milliamps.
  4. Resistor seri Rs harus memungkinkan jumlah minimum arus 10,1 mA bahkan ketika suplai input adalah level terendah yang ditentukan, yaitu 1,5 V lebih tinggi dari nilai zener yang dipilih Vz, dan dapat dihitung menggunakan hukum Ohm sebagai: Rs = 1,5 / 10,1 x 10-3= 148,5 Ohm. Nilai standar terdekat tampaknya 150 Ohm, jadi Rs mungkin 150 ohm.
  5. Jika tegangan suplai naik menjadi 12 V, penurunan tegangan di Rs akan menjadi Iz x Rs, di mana Iz = arus melalui zener. Oleh karena itu, menerapkan hukum Ohm kita mendapatkan Iz = 12 - 4.7 / 150 = 48.66 mA
  6. Di atas adalah arus maksimum yang akan diizinkan melewati dioda zener. Dengan kata lain, arus maksimum yang mungkin mengalir selama beban output maksimum atau input tegangan suplai maksimum yang ditentukan. Dalam kondisi ini, dioda zener akan menghilangkan daya Iz x Vz = 48,66 x 4,7 = 228 mW. Nilai peringkat daya standar terdekat untuk memenuhi ini adalah 400 mW.

Pengaruh Suhu pada Dioda Zener

Bersamaan dengan parameter tegangan dan beban, dioda Zener juga cukup tahan terhadap variasi suhu di sekitarnya. Namun, suhu di atas batas tertentu dapat mempengaruhi perangkat seperti yang ditunjukkan pada grafik di bawah ini:

Ini menunjukkan kurva koefisien suhu dioda zener. Meskipun pada tegangan yang lebih tinggi kurva koefisien merespons sekitar 0,1% per derajat Celcius, kurva tersebut bergerak melalui nol pada 5 V dan kemudian berubah menjadi negatif untuk tingkat tegangan yang lebih rendah. Akhirnya mencapai -0,04% per derajat Celcius di sekitar 3,5 V.

Menggunakan Dioda Zener sebagai Sensor Suhu

Salah satu kegunaan yang baik dari sensitivitas dioda Zener terhadap perubahan suhu adalah dengan menerapkan perangkat sebagai perangkat sensor suhu seperti yang ditunjukkan pada diagram berikut.

Diagram menunjukkan jaringan jembatan yang dibangun menggunakan sepasang resistor dan sepasang dioda Zener yang memiliki karakteristik yang identik. Salah satu dioda zener bekerja seperti generator tegangan referensi, sedangkan dioda zener lainnya digunakan untuk merasakan perubahan tingkat suhu.

Zener 10 V standar mungkin memiliki koefisien suhu + 0,07% / ° C yang mungkin sesuai dengan variasi suhu 7 mV / ° C. Ini akan menciptakan ketidakseimbangan sekitar 7 mV antara kedua lengan jembatan untuk setiap variasi suhu derajat Celcius. Pengukur FSD penuh 50 mV dapat digunakan pada posisi yang ditunjukkan untuk menunjukkan pembacaan suhu yang sesuai.

Menyesuaikan Nilai Dioda Zener

Untuk beberapa aplikasi rangkaian, mungkin perlu memiliki nilai zener yang tepat yang mungkin merupakan nilai non-standar, atau nilai yang tidak tersedia.

Untuk kasus seperti itu, array dioda zener dapat dibuat yang kemudian dapat digunakan untuk mendapatkan nilai dioda zener yang disesuaikan yang diinginkan, seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

Dalam contoh ini, banyak nilai zener non standar yang disesuaikan dapat diperoleh di berbagai terminal, seperti yang dijelaskan dalam daftar berikut:

Anda dapat menggunakan nilai lain di posisi yang ditunjukkan untuk mendapatkan banyak set output dioda zener yang disesuaikan lainnya

Dioda Zener dengan Suplai AC

Dioda Zeners biasanya digunakan dengan suplai DC, namun perangkat ini juga dapat dirancang untuk bekerja dengan suplai AC. Beberapa aplikasi AC dari dioda zener termasuk audio, sirkuit RF, dan bentuk lain dari sistem kontrol AC.

Seperti yang ditunjukkan pada contoh di bawah ini ketika suplai AC digunakan dengan dioda zener, zener akan langsung bekerja segera setelah sinyal AC lewat dari nol menuju setengah negatif dari siklusnya. Karena sinyalnya negatif maka AC akan disingkat melalui anoda ke katoda zener, menyebabkan 0 V muncul keluaran.

Ketika suplai AC bergerak melintasi setengah positif dari siklus, zener tidak bekerja sampai AC naik ke level tegangan zener. Ketika sinyal AC melewati tegangan zener, zener berjalan dan menstabilkan output ke level 4,7 V, sampai siklus AC turun kembali ke nol.

Ingat, saat menggunakan zener dengan input AC, pastikan Rs dihitung sesuai tegangan puncak AC.

Dalam contoh di atas, outputnya tidak simetris, melainkan berdenyut 4,7 V DC. Untuk mendapatkan AC 4,7 V simetris pada output, dua zener back to back dapat dihubungkan seperti yang digambarkan pada diagram di bawah ini.

Menekan Kebisingan Dioda Zener

Meskipun dioda zener menyediakan cara yang cepat dan mudah untuk membuat output tegangan tetap yang stabil, ada satu kelemahan yang dapat mempengaruhi sirkuit audio sensitif seperti power amplifier.

Dioda zener menghasilkan kebisingan saat beroperasi karena efek longsoran persimpangannya saat beralih, mulai dari 10 uV hingga 1 mV. Ini dapat ditekan dengan menambahkan kapasitor secara paralel dengan dioda zener, seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

Nilai kapasitor bisa antara 0,01uF dan 0,1uF, yang akan memungkinkan penekanan kebisingan dengan faktor 10, dan akan mempertahankan stabilisasi tegangan terbaik.

Grafik berikut menunjukkan pengaruh kapasitor untuk mengurangi kebisingan dioda zener.

Menggunakan Zener untuk Penyaringan Tegangan Riak

Dioda zener juga dapat digunakan sebagai filter tegangan riak yang efektif, seperti yang digunakan untuk stabilisasi tegangan AC.

Karena impedansi dinamisnya yang sangat rendah, dioda zener dapat bekerja seperti filter riak dengan cara yang sama seperti kapasitor filter.

Penyaringan riak yang sangat mengesankan dapat diperoleh dengan menghubungkan dioda Zener melintasi beban, dengan sumber DC apa pun. Di sini, tegangan harus sama dengan level palung riak.

Dalam sebagian besar aplikasi rangkaian, ini dapat bekerja seefektif kapasitor pemulusan tipikal yang memiliki kapasitas beberapa ribu mikrofarad, menghasilkan penurunan yang signifikan pada tingkat tegangan riak yang ditumpangkan pada keluaran DC.

Cara Meningkatkan Kapasitas Penanganan Daya Dioda Zener

Cara mudah untuk meningkatkan kapasitas penanganan daya dioda zener mungkin hanya dengan menghubungkannya secara paralel seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

Namun, secara praktis ini mungkin tidak sesederhana kelihatannya dan mungkin tidak berfungsi sebagaimana mestinya. Ini karena sama seperti perangkat semikonduktor lainnya, zener juga tidak pernah datang dengan karakteristik yang persis sama, oleh karena itu salah satu zener dapat berjalan sebelum yang lain menarik seluruh arus melalui dirinya sendiri, akhirnya hancur.

Cara cepat untuk mengatasi masalah ini mungkin dengan menambahkan resistor seri nilai rendah dengan setiap dioda zener seperti yang ditunjukkan di bawah ini, yang akan memungkinkan setiap dioda zener berbagi arus secara seragam melalui kompensasi penurunan tegangan yang dihasilkan oleh resistor R1 dan R2:

Meskipun, kapasitas penanganan daya dapat ditingkatkan dengan menghubungkan dioda Zener secara paralel, pendekatan yang jauh lebih baik dapat dilakukan dengan menambahkan BJT shunt dalam hubungannya dengan dioda zener yang dikonfigurasi sebagai sumber referensi. Silakan lihat contoh skema berikut untuk hal yang sama.

Menambahkan transistor shunt tidak hanya meningkatkan kapasitas penanganan daya zener dengan faktor 10, tetapi juga meningkatkan tingkat regulasi tegangan output, yang mungkin setinggi penguatan arus yang ditentukan dari transistor.

Jenis regulator zener transistor shunt ini dapat digunakan untuk keperluan eksperimental karena rangkaian ini memiliki fasilitas anti hubung singkat 100%. Yang mengatakan, desain agak tidak efisien karena transistor dapat menghilangkan sejumlah besar arus tanpa adanya beban.

Untuk hasil yang lebih baik, a transistor lulus seri jenis regulator seperti yang ditunjukkan di bawah ini terlihat sebagai pilihan yang lebih baik dan lebih disukai.

Di sirkuit ini, dioda Zener menciptakan tegangan referensi untuk transistor seri lulus, yang pada dasarnya, bekerja seperti pengikut emitor . Akibatnya, tegangan emitor dipertahankan antara sepersepuluh volt dari tegangan basis transistor seperti yang dibuat oleh dioda Zener. Akibatnya transistor bekerja seperti komponen seri dan memungkinkan kontrol yang efektif dari variasi tegangan suplai.

Seluruh arus beban sekarang berjalan melalui transistor seri ini. Kapasitas penanganan daya jenis konfigurasi ini ditentukan sepenuhnya oleh nilai dan spesifikasi transistor, dan juga tergantung pada efisiensi dan kualitas heatsink yang digunakan.

Regulasi yang sangat baik dapat dicapai dari desain di atas menggunakan resistor seri 1k. Regulasi dapat ditingkatkan dengan faktor 10 dengan mengganti zener normal dengan dioda zener dinamis rendah khusus seperti 1N1589).

Jika Anda ingin rangkaian di atas memberikan output yang diatur tegangan variabel, itu dapat dengan mudah dicapai dengan menggunakan potensiometer 1K melintasi dioda Zener. Hal ini memungkinkan tegangan referensi variabel untuk disesuaikan di dasar transistor seri.

Namun, modifikasi ini dapat menghasilkan efisiensi regulasi yang lebih rendah karena beberapa efek shunting yang dibuat oleh potensiometer.

Rangkaian Dioda Zener Arus Konstan

Suplai arus konstan yang diatur Zener sederhana dapat dirancang melalui transistor tunggal sebagai resistor seri variabel. Gambar di bawah ini menunjukkan diagram sirkuit dasar.

Anda dapat melihat beberapa bagian rangkaian di sini, satu melalui dioda zener dihubungkan secara seri dengan resistor biasing, sedangkan jalur lainnya melalui resistor R1, R2, dan transistor seri.

Jika arus menyimpang dari kisaran aslinya, itu menciptakan perubahan proporsional dalam tingkat bias R3, yang pada gilirannya menyebabkan resistansi transistor seri meningkat atau menurun secara proporsional.

Penyesuaian resistansi transistor ini menghasilkan koreksi otomatis arus keluaran ke tingkat yang diinginkan. Keakuratan kontrol arus dalam desain ini akan menjadi sekitar +/- 10% sebagai respons terhadap kondisi keluaran yang dapat berkisar antara korsleting dan pembebanan hingga 400 Ohm.

Rangkaian Sakelar Relai Sekuensial menggunakan Dioda Zener

Jika Anda memiliki aplikasi di mana satu set relai harus dinyalakan secara berurutan satu demi satu pada sakelar daya alih-alih semuanya diaktifkan bersamaan, maka desain berikut terbukti cukup berguna.

Di sini, dioda zener yang bertambah secara berurutan dipasang secara seri dengan sekelompok relai bersama dengan resistor seri bernilai rendah individu. Ketika daya DIAKTIFKAN, dioda zener berjalan satu demi satu secara berurutan dalam urutan yang meningkat dari nilai zenernya. Hal ini menyebabkan relai ON secara berurutan seperti yang diinginkan oleh aplikasi. Nilai resistor bisa 10 ohm atau 20 ohm tergantung pada nilai resistansi koil relai.

Sirkuit Dioda Zener untuk Perlindungan Tegangan Lebih

Karena karakteristik sensitif tegangannya, dimungkinkan untuk menggabungkan dioda Zener dengan karakteristik sensitif saat ini dari sekering untuk melindungi komponen sirkuit penting dari lonjakan tegangan tinggi, dan juga menghilangkan kerumitan sekring dari sering putus, yang mungkin terjadi terutama ketika peringkat sekering sangat dekat dengan spesifikasi arus pengoperasian rangkaian.

Dengan menyambungkan dioda Zener dengan nilai yang benar melintasi beban, sekering yang memiliki nilai yang sesuai untuk menangani arus beban yang dimaksudkan untuk waktu yang lama dapat digunakan. Dalam situasi ini, misalkan tegangan input meningkat hingga melebihi tegangan rusaknya Zener - akan memaksa dioda Zener untuk bekerja. Hal ini akan menyebabkan peningkatan tiba-tiba dalam arus yang meniup sekering hampir secara instan.

Keuntungan dari rangkaian ini adalah mencegah sekring dari sering putus dan tidak terduga karena nilai sekeringnya yang dekat dengan arus beban. Alih-alih, sekring hanya putus jika tegangan dan arus benar-benar naik melebihi tingkat tidak aman yang ditentukan.

Rangkaian Perlindungan Tegangan Rendah menggunakan Dioda Zener

Relai dan dioda zener yang dipilih dengan tepat cukup untuk membuat sirkuit perlindungan pemutusan tegangan rendah atau tegangan di bawah yang akurat untuk aplikasi apa pun yang diinginkan. Diagram sirkuit disajikan di bawah ini:

Pengoperasian sebenarnya sangat sederhana, pasokan Vin yang diperoleh dari jaringan jembatan transformator bervariasi secara proporsional tergantung pada variasi input AC. Artinya, jika 220 V sesuai dengan 12 V dari transformator, maka 180 V harus sesuai dengan 9,81 V dan seterusnya. Oleh karena itu, jika 180 V diasumsikan sebagai ambang batas cut off tegangan rendah, maka memilih dioda zener sebagai perangkat 10 V akan memutus operasi relai setiap kali input AC turun di bawah 180 V.




Sebelumnya: Menghitung Transistor sebagai Sakelar Berikutnya: Sirkuit Serat Optik - Pemancar dan Penerima